JP2009543030A - 圧力かつ／また張力かつ／またねじれ繊維センサー - Google Patents

Abstract

本発明は、圧力 かつ／また 張力 かつ／また ねじれ繊維センサーに関する。繊維センサーは抵抗センサーであり、いずれの組成かつ／また混合から成り、いずれの技術によって作られる少なくとも一つの基繊維層（１）と、選択的に、繊維（１）の表面をより均一にする表面処理（２）と、導電流体からの応力に高感度である範囲（３１）を定めるように、幾何学的に割り振られた軌道を有する単一の導電層（３）と該導電層（３）上の封入かつ保護層（４）と、
選択的には上部繊維層（５）と、上記の範囲（３１）の一つが圧力、張力またはねじれを受けると、変換器（７）がこれを検知し、前記軌道の抵抗に大きな変化が生じるように、軌道に接続される少なくとも一つの信号変換器（７）と、から成る。センサーは、繊維シート（１、５）の外表上の上記範囲（３１）を定めるインプリント（６）を選択的に含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、布地の一つまたはそれ以上の範囲に適用される、圧力 かつ／また 張力 かつ／また ねじれ繊維センサーに関する。

現在、圧力繊維センサーは主として、金属線の使用に基づく。

圧力繊維センサーの場合、導線は、非導電性または連続または非連続になりうる部分的導電性の中間層によって分けられる二つの導電層を形成する。

この構造では、圧力が無くなってしまうと中間層がこれを回避せず、および層の位置を回復させる間、圧力によって二つの導電層が接触するので、センサー特性は抵抗変化がありうる。この種のセンサーは抵抗センサーと称せられる。他の種のセンサーでは、センサー特性は、両方の導電層の間の非電気性または導電性の層がもたらす、コンデンサの容量変化でありうる。層または線の間の容量は、電極または導電層の設計もまた異なるため、異なる。この種のセンサーは容量センサーと称せられる。

引張応力センサーの場合は、導線はピエゾ抵抗特性を有し、材料の固有特性は引張応力を通して抵抗の変化を獲得しうる。

繊維ねじれセンサーの参照はない。

布片、軟質シート、および他の同等のものへの電気デバイスを実行するため、織物または繊維シートが ―特に接触する圧力によって― センサーのように作用することを達成しうる、数種類の装置がある。

これは、 ETH ZURICH ETH TRANSFERによる特許出願PCT WO2005121729にて既知である。この特許は接触による容量型圧力センサー を開示する。容量装置が備わるセンサーの作動の原理は、二つの導電型の層およびコンデンサを形成するための第三の非導電層の、少なくとも三つの層によって形成される。導電層の一つは連続型であり、もう一つの導電層は表面の異なる圧力の分配が計測されるよう分けられた複数の電極によって形成される。

また、KONINK PHILIPS ELECTRONICS NV. による特許出願PCT WO2005096133でも既知である。この特許は、二つの導電層および中間層に非連続的に分配されたピエゾ抵抗材料から作られる一つの非導電性の中間層の、三つの層によって形成される、接触による圧力センサーを開示する。

TEXTILFORSCHUNG-INSTITUT THURINGEN VOGTによる、ドイツの登録DE102001025237 が既知である。この文書は、ネットを形成する導線に基づく圧力および作用センサーを開示する。ネットの曲解による線の曲解によって抵抗の変化が生じる。得られた目的は圧力を決定するのに使用される牽引センサーであり、ゆえに一つの計測のみが行われうる。

LAB ELECTRONIQUE ANGELIDIS & SARRAULTによる、特許FR2834788が既知である。この特許は、含浸工程を通して、または金属粒子の希釈によって準備された導電粒子が染み込んだ絶縁織物繊維の両面を有する接触による圧力センサーを開示する。このセンサーの操作は、圧力がかかるときの繊維の静電容量の違いを比較するモジュールを使用して実行される。このセンサーは（圧力の）存在を検出する目的の容量型の三つの層によって形成されるアクティブ・システムである。

ELEKSEN LTD. による特許申請PCT WO2005073685が既知である。この特許は、二つの繊維の層に設置された導線による、線状センサーを開示する。一つの層は縦方向に感知し、およびもう一方の層は横方向に感知し、および表面が圧力を受け、そして両面の線が接触するとき、導電性が得られる。

BREED AUTOMOTIVE TECHNOLOGY INC. による特許申請 PCT WO0161298が既知である。この特許は、例として、自動車業界用の現存センサーの開発を目的とした、プラスチックフィルムに被着された導電性インクに基づく、以下の特許US 5398962, US 5563354およびUS 5541570に開示されるボタンおよびセンサーの遮断の瞬間などで、出力電圧を検出することを目的とする装置を開示する。

DREAGER TNによる米国特許US 5371326が既知である。この特許は、スイッチとして使用される不織布に、導電性材料の粒子が前記不織布の間に接触するとき、導電性材料が被着される、玩具製造を目的とした導電体の開発を開示する。

ＰＣＴ ＷＯ２００５１２１７２９ ＰＣＴ ＷＯ２００５０９６１３３ ＤＥ１０２００１０２５２３７ ＦＲ２８３４７８８ ＰＣＴ ＷＯ２００５０７３６８５ ＰＣＴ ＷＯ０１６１２９８ ＵＳ ５３９８９６２ ＵＳ ５５６３３５４ ＵＳ ５５４１５７０ ＵＳ ５３７１３２６

本発明による圧力 かつ／また 張力 かつ／また ねじれ繊維センサーは、基本的な適用として ―いくつかある適用の中でも― それ自体で電子デバイスへの入力装置およびインターフェースとして適用できる“インテリジェント・ファブリック”と呼ばれるものを得ることを目的とした一連の技術的特徴を含む。さらに、この手順によって電子デバイス間のデータのフィードおよび送信に適合する導電性軌道の高い規則的な沈着が可能になる。つまり、インテリジェント・ファブリックから得られるすべての適用、例として繊維に埋め込まれ軌道によってフィードされるＬＥＤおよび、繊維接続線およびサーキット・フレキシブルプレートなどである。

本発明は、単一の導電層、広範囲、高解像度が備わり、および繊維材料および工程を１００％使用して作られた、抵抗型の圧力 かつ／また 張力 かつ／また ねじれ繊維センサーである。

この繊維センサーは、少なくとも以下の層を含む、一連の多重層を有する：
（ａ）いずれの組成かつ／また混合の材料の基繊維から作られ、およびいずれの織物技術を使用して処理される層。編地、その表面が均一のまたは不均一の織物かつ／また不織布。繊維が均一でない場合は、均一性を得るために表面処理が加えられうる。この処理は、繊維基層に高分子塗膜の塗布などでありうる。高分子塗膜は通常、摩耗および耐久の抵抗を強化、他の特性の中で選択された気孔率かつ／また難燃性による蒸散能力のある静水圧抵抗、またはそれらがない静水圧抵抗を提供するために塗布される。塗膜は、導電性流体への良好な接着力を提供しつつ繊維の表面の均一性を向上させうる。
（ｂ）基繊維上の導電性流体の堆積を通して得られ、応力部分を決定する軌道によって導電層を決定する、繊維層の上に設置される導電層。これらの流体は例として、金属粒子、炭素または導電ポリマーから成りうる。これらの流体のほとんどの部分は銀、銅などの金属粒子を使用して、または支持マトリックス材料の上に堆積される炭素を使用して作られるが、現在のところ、導電ポリマーに基づくインクが利用可能である。ＰＴＦ（ポリマー厚膜）と言われる高分子樹脂がこの支持マトリックスを形成する。これらのＰＴＦは熱可塑性物質または熱化学的に安定したものでありうる。これらの応力センサーの開発には両タイプが使用されうる。これらの流体は堆積されうる。例として、従来の繊維インプリント処理を使用するシルクスクリーン・インプリントや同等の目的を達成するようなもの、デジタル・インプリントを通して適用されるデジタル導電流体が使用されうる。繊維デジタル・インプリントはより用途が多い製造工程である。いずれの製造システムでも、導電軌跡はコンピュータに優先的に補助されたデザインシステムを使用して実行される。
（ｃ）導電層の封入かつ保護層。例としてポリマーがこの層を形成する。これらのポリマーは高温抵抗があり、良好な粘度を有し、および成形が容易に調節できる。これらのポリマーはポリエステル、綿、および他のいずれの混合繊維に接着するのに適切である。
（ｄ）選択的に、いずれの組成かつ／またいずれの繊維技術を使用して作られる混合の上部層の繊維。編地、その表面が均一のまたは不均一の透かし布かつ／また不織布。
（ｅ）デジタル信号が出される間の軌道軌跡の変化の計測を用いて、応力の検出を実行することを目的とする、導電軌跡に接続される信号変換器。
（ｆ）選択的に、いずれの繊維層構造の外面へのインプリント。このインプリントは活性化範囲のアイコンによって決定される。このインプリントは従来のいずれのインプリント技術かつ／またいずれのデジタル繊維を使用して実行される。

圧力繊維センサーの操作原理は、その長さの一点が少なくとも一つの範囲のジグザグ、スパイラル（らせん）、または小さい表面上の非常に長い他のいずれの形状の、少なくとも一つの応力範囲を決定しうる、フィラメント形状の軌跡の一実施例に基づく。

活性化範囲として称せられるこの応力の範囲は、例として、プッシュボタンを使用する接触による圧力繊維センサーの実行のため、その表面は圧応力が接触する間、指一本分の平均表面より同じか大きくなりうる表面など、特定の表面に及ぶ。活性化範囲の目的は、圧力により曲解されるとき、その範囲の応力が最も高い軌道抵抗の変化を生成しなければならない。導電流体のインプリント線の抵抗は、応力がその上にかかるとき劇的に変化する。この抵抗変化は、Ｚ方向に圧力を受けるときの軌道の曲解によって生じる。例として、この場合の曲解は軌道のすべてのＸ、Ｙ、およびＺ方向で明らかになり、抵抗の上昇を発する。例として、層構造は選択された材料に応じて、１．５kgf/cm²の圧力（１．５cm²の平均接触表面に人差指を用いた平均最大圧力）のＺ軸上で最大で１２％の曲解を受けうる。

製造過程中の変化により、圧力が適用されないときの前述の抵抗の値が巨大な種類の値になるとしても、望ましい機能性を得ることによる事実から、利点は得られうる。いずれの場合でも、左側にある抵抗は数百オームの範囲内であり、および活性化範囲が圧力を受けるときのその変化は約六等（数百オームから数メガオームまで）になりうる。

各軌道がその出力において監視電圧を受ける場合、ジグザグ範囲にかかる応力パターン（または応力の欠如）、または引張応力の場合には伸張によって変化する様々な信号が得られうる。基準電圧の値は、それそのものでは関連がないが、定められた応力範囲などの繊維導電軌道と同等の抵抗値による回路の感度を調節する可能性を提供する。

信号変換器は、小さな表面のジグザグおよび他のフィラメント模様に関する範囲の繊維にかかる応力の応答としてデジタル信号の獲得を果たす。この標準デジタル信号が得られると、操作の解釈または調節を得るため電子デバイスに送られうる。

信号変換器は、ジグザグ範囲またはフィラメント模様の応力および応答による感度、三角法閾値を決定しうる抵抗などの分圧器を監視するポテンショメーターまたはそれと同様の装置を含みうる。

コンバータの入力での繊維センサーの作動によって、シグナルアップランプおよび特にダウンランプでの抵抗の変化が生じ、瞬間的でも、継続的でも、反復的でもなく、導電軌道が抵抗を調節する間に過渡期が生じる。コンバータで使用されるコンパレータは、これらの変化を吸収し、および安定したデジタル信号が生成できるよう、十分に高いヒステリシスを有する。これはまた、デジタル信号の後行程を実行することも可能である。

設計の品質のため、軌道は一つの応力範囲以上を示しうる。これらの範囲は連続配置で設置される。

交差方向に重ね合わせた複数の軌道によって、マトリックス設計は複数の活性化範囲を多重化できるよう実行されうる。

事実、センサーは封入かつ保護層と上部繊維層の間に拡大構造を含み、第二の高感度な軌道の導電層が設置される。層のすべての軌道は、追加された層の軌道の活性化範囲と調和する複数の活性化範囲を有する。これらの追加された軌道は、第一層軌道の整列に対し横方向に配列され、したがって、繊維センサー軌道のいずれのジグザグ範囲またはフィラメント模様上のいずれの応力も、各層に単一の軌道を作動させ、それゆえ活性化範囲に対して二つの信号のみが決定されうる。このためセンサーは、コンパレータの軌道ごとよりも早い方法で、二つの層に設置される複数の軌道のマトリックス処理のための多重化のコンバータで完了される。前述の多重化コンバータはまた、単一層の複数の軌道を監視するのに適合されなければならないと計画されている。

この説明を完了するため、および本発明の特徴をより容易に理解させる目的で、例証するおよび制限しない本質を表す以下の図面一式がこの明細書に含まれる。

異なる層の構造のセンサーの断面図を示す。 実施例の方法による二つのプッシュボタンに関する二つの高感度応力範囲の地上図である。 複数の活性化範囲の軌道の概略図である。 マトリックス構造を形成する二つの層が目立つ間で、異なる層のあるマトリックス型センサーの断面図である。 軌道を移動させた二つの層の地上図である。 一つの層上の信号変換器の電気回路の実施例の概略図である。

参照の図面に示されるように、繊維センサーは下記を含む積層構造に従って構成されている。
・外表の一つを形成する基繊維（１）の層。
・選択的に、繊維（１）を均一にする表面処理（２）。
・導電流体で作られる軌道の単一の導電層（３）。軌道はそれぞれ、繊維層（１）の曲解および選択的に表面処理（２）を用いて、一つの応力または活性化範囲（３１）に適合し、ゆえに応力に高感度である電気層は、これらの軌道（３）が繊維層（１）および選択的に表面処理（２）上にデジタル・インプリントなどを通して堆積する間に構成される。
・導電層（３）上の封入かつ保護層（４）。例として、接着特性を有するため、温度および圧力を使用してシート形状で適用される熱可塑性の可反応型のポリマーなどである。
・層（３）上に曲解によって構成された軌道の抵抗変化を変換し、および、他のデバイスを操作しうるため、デバイスまたは装置（図示せず）またはその同等のものに、その解釈および配置を送信されうるデジタル信号に積層構造の応力を適用して、最終的にテアリングが得られる信号変換器（７）。
・選択的に、第二の外側を形成する、いずれの技術および組成かつ／また混合を使用して作られる上部繊維層（５）
・選択的に、繊維シート（１，５）の外表の一つのインプリント（６）。このインプリント（６）には図２に示されるように、応力に高感度な範囲（３１）に適合するアイコンおよび文字が定められる。

図２に示されるように軌道の導電層（３）は、小さい範囲に実線のジグザグまたはフィラメント模様などが形成される応力範囲（３１）を有し、この軌道は銀粒子の導電流体を使用する。

図３では、好ましくはボタンまたは接触センサーの圧力点のような圧力は、複数の応力点を定める目的とされる連続配置の複数の応力範囲（３）のある層（３）の一つの軌道が理解されうる。

代替的な一実施例では、複数のジグザグ範囲を有する一つのマトリックスセンサー構造によるセンサーを作ることが可能である。このセンサーには、封入かつ保護層（４）と上部繊維層（５）の間に、導電軌道の第二の高感度層（３ａ）、および表面処理（２ａ）を含み、従って、重ねられた軌道の二つの高感度層（３、３ａ）の構成が可能である。図５に示されるこれらの層（３、３ａ）の軌道は、平行配置の複数の応力範囲（３１）の軌道（３）によって形成される第一層、および同様の方法で形成されるが横方向である横断軌道（３ａ）によって形成される第二層が理解され、層の応力範囲（３１）がもう一方の層の少なくとも一つの応力範囲（３１ａ）に重ねられ、したがって座標を形成する。

この構成では、両層（３、３ａ）の軌道は信号変換器（図示せず。しかし図６に示されるものと同様の型）、座標またはすべての定められた軌道に重なる複数の応力範囲を検出するための、この場合は多重化変換器に接続される。

変換器（７）は主に、軌道によって循環する張力コンパレータ（７）、および三角法閾値を制限する抵抗分圧器を含み、どちらもポテンショメーター（７３）の電圧または感度を確立する可変の抵抗を対照として取る間、特定の電圧を受ける。

本発明の本質および好適な実施例は、前述の実施例の参照とともに上記に説明された。
しかし、材料、形状、寸法、および開示された要素の配置は、下記に列挙される特許請求の範囲の本発明の基本的な特徴が変質されないのみの場合において、変更されうることは明らかである。

１基繊維層
２表面処理
２ａ表面処理
３導電層
３ａ高感度層
４封入かつ保護層
５上部繊維層
７信号変換機
３１応力範囲
３１ａ応力範囲
７１コンパレータ
７３ポテンショメーター

Claims (13)

1. ・いずれの組成かつ／またいずれの技術を使用して実行される材料の混合の、少なくとも一つの基となる繊維層（１）、
   ・幾何学模様の軌道のある基となる繊維層（１）上の導電流体の堆積によって定められる導電層（３）、これら軌道は全体かつ／また応力範囲（３１）上の応力によって生じる曲解かつ／また破壊、および隣接する層の材料が元となるスプリングバックによって引き起こされる応力に感度が高い、
   ・導電軌道の層（３）上の少なくとも一つの封入かつ保護層（４）、
   ・導電層の軌道に、直接または導体を通して接続される少なくとも一つの信号変換機（７）、
   によって形成されることを特徴とする、圧力 かつ／また 張力 かつ／また ねじれ繊維センサー。
2. 繊維基層（１）はその表面に、均一な表面を得る目的で導電層の支持として作用する表面処理（２）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のセンサー。
3. いずれの技術、いずれの組成かつ／また混合を使用して作られる繊維の上部層（５）が封入かつ保護層（４）上に設置されて組み込まれうることを特徴とする、請求項１に記載のセンサー。
4. 繊維（１、５）のどちらかの外表の応力範囲（３１）を定める、代替層またはインプリント（６）を含むことを特徴とする、請求項１または３に記載のセンサー。
5. 導電層（３）上の軌道の応力範囲（３１）は、小さい表面上のジグザグ、らせん、またはいずれの他の非常に長い形状から構成されることを特徴とする、請求項１に記載のセンサー。
6. 導電層軌道（３）の導電流体は、金属、炭素、または導電ポリマーなどのようないずれの自然の導電粒子で作られることを特徴とする、請求項１に記載のセンサー。
7. 導電層軌道（３）の導電流体は、デジタル処理を含むインプリント技術を使用して堆積されうることを特徴とする、請求項１に記載のセンサー。
8. 表面処理（２）は電気および熱の隔離特性のある高分子塗膜でありうることを特徴とする、請求項１または２に記載のセンサー。
9. 導電層（３）は一つ以上の連続配置で設置される応力範囲（３１）が備わる軌道を有することを特徴とする、請求項１に記載のセンサー。
10. 封入かつ保護層（４）は、接着特性を追加する間断熱および保護が可能である可反応ポリマーを含むことを特徴とする、請求項１に記載のセンサー。
11. 信号変換機（７）はデジタルかつ／また双安定出力を生じさせるため、少なくとも一つの抵抗かつ／また電圧コンパレータ（７１）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のセンサー。
12. 封入かつ保護層（４）と上部繊維層（５）の間に、より単純な信号変換機を含む目的のマトリックスセンサーの形成を目的とする、軌道の第二の高感度導電層（３ａ）および表面処理（２ａ）の一つの層が組み込まれることを特徴とする、請求項１または３に記載のセンサー。
13. 変換器（７）は、一つまたは二つの層に配置された複数の導電層の軌道（３、３ａ）のマトリックス処理を目的とする多重化変換機であることを特徴とする、請求項１、５、９、１１、および１２のいずれか１項に記載のセンサー。

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